CC BY
39
© М. А. Ильяшов, Н.И. Лобков, Е.Н. Халимендиков, 2008
УДК 622.831
М.А. Ильяшов, Н.И. Лобков, Е.Н. Халимендиков
УТОЧНЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГЕОМЕХАНИКИ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СДВИЖЕНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА НАД ОЧИСТНЫМ ЗАБОЕМ
Мировая практика разработки угольных месторождений подземным способом свидетельствует, что обеспечение рентабельности угледобычи возможно только путем внедрения прогрессивных технико-техно- логических решений, направленных на снижение издержек производства. При переходе на глубокие горизонты в условиях интенсификации очистных работ, возрастании нагрузок на лавы и, соответственно, скорости подвигания фронта очистных работ особую актуальность в настоящее время приобретают разработка и внедрение новых способов поддержания выработок добычного участка, в частности на концевых участках лав, а также оптимизация и правильный выбор типоразмера и технических характеристик механизированной крепи. Для решения этих проблем, несмотря на многочисленные и многолетние исследования остается актуальным изучение механизма взаимодействия породных слоев над выработанным пространством, для установления закономерностей формирования зон повышенных напряжений в выемочном поле лавы.
Проведенные натурные исследования деформации подготовительных выработок э зоне опорного давления в условиях
Рис. 1. Отработка последовательно второй лавы
пласта П8 «Фоминской» на глубине 1000-1200 м, в условиях шахты «Прогресс» (Торезский район Донбасса) [1], показали, что фактический размер проявления опорного давления впереди очистного забоя одиночной лавы не превышал 30-40 м. Аналогичным размер зоны опорного давления оставался и при последовательной отработки второй лавы (рис. 1).
Такой размер зоны опорного давления говорит о том, что в его формировании принимает участие ограниченное число породных слоев. Подобные результаты получены авторами в результате исследований в Донец-ко-Макеевском и Красноармейском
районах при разработке лав в условиях наличия в кровле пластов мощных породных слоев, особенно до первичной посадки основной кровли.
Для изучения механизма формиро-
Рис. 2. Схема сдвижения породных слоев при отработке двух лав: I - область сдвижения пород при отработке одной (первой) лавы; II - область сдвижения пород при отработке двух лав; 1 - линия изгиба слоев; 2 - линия обрушения слоев; 3 - линия максимального опорного давления
вания опорных нагрузок впереди очистного забоя, особенностей поведения слоистого породного массива и взаимодействия породных слоев в области сдвижения над выработанным пространством были проведены исследования на моделях из эквивалентных материалов.
Для моделирования (масштаб 1:300), согласно методике [2], принимались условия шахт «Прогресс» и «Красноар-мейская-Западная .№1». В модели (рис. 2) велась отработка последовательно двух лав, при управлении кровлей полным обрушением. Смещение пород в модели осуществлялось методом фотофиксации. Изменение напряжений между слоями фиксировалось тензодатчиками. Обеспечение соблюдений критериев подобия проводилось в соответствии с общепринятыми подходами ВНИМИ, ИГД им. А.А. Скочинского, ДонУГИ.
Установлено, что при отходе лавы от разрезной печи породы кровли, представленные прочным слоем, мощностью 17 м, зависают и обрушаются при достижении размеров выработанного пространства 90-100 м. На рис. 2 показано, что при
выемке первой лавы, длиной 180 м, в сдвижение пришли семь породных слоев. Восьмой слой завис не прогибаясь. В область сдвижения над первой лавой (I), входят обрушившиеся слои №2-№5, и прогнувшиеся слои №6 и №7. Зона обрушения слоев ограничена линиями обрушения, наклоненными к горизонту под углом обрушения у, зона изгиба слоев ограничена линиями изгиба, наклоненными к горизонту под углом изгиба ф. Углы ф и ф находятся в пределах соответственно 76°-80° и 45°-46°.
При выемке последовательно второй лавы длиной 180 м размер зоны сдвижения пород увеличивается. Обрушаются над выработанным про- странством слои №2-№10 и зависает, прогнувшись, слой №11. Вышележащие слои также зависают, передавая пригрузку на слой №11.
Величина опорного давления Роп изменяется по мере обрушения слоев, а ее максимальные значения располагаются по линии 3. Значение величины опорного давления над пластом соответствовало сумме давлений слоев находящихся в
Рис. 3. Развитие области сдвижения пород перед первичной посадкой кровли
области сдвижения. При этом породные слои в области сдвижения делятся на группы, в которые входят прочный несущий слой и более слабые породные слои, проги- бающиеся и обрушающиеся вместе с несущим слоем.
Особый интерес представляет развитие области сдвижения пород до первичной посадки кровли. На рис. 3 приведена область сдвижения пород перед первичной посадкой, построенная с учетом углов обрушения и прогиба породных слоев.
По мере подвигания очистного забоя от точки А к точке В, слой №2 прогибается, формируя опорное давление на краевую часть пласта. Вместе с ним прогибаются обрушенные, более слабые слои №3 и №4. В момент первичной посадки обрушается слой №2 со слоями №3 и №4. Вышележащие слои №5 и №6 прогибаются не обрушаясь. Область АДСВ представляет собой область
сдвижения пород, без учета слоев при-грузки. Область АДЕС^В] - это область сдвижения пород с учетом слоев пригрузки. Учет слоев пригрузки приводит к изменению шага обрушения кровли, в сторону уменьшения, на
100 - !=гп . 100% = 1 8% (рис. 3).
^вп
Таким образом, проведенные исследования позволяют сформулировать следующие положения геомеханики взаимодействия породных слоев в области сдвижения пород над выработанным пространством при развитии очистных работ:
• по мере увеличения выработанного пространства происходит последовательный изгиб породных слоев в направлении от пласта к поверхности;
• по мере сдвижения, породные слои делятся на группы, где присутствуют прочный несущий слой и зале-
гающие сверху него более слабые слои пригрузки;
• линии прогиба и обрушения
пород наклонены к плоскости пласта
соответственно под углами ф = 45°-46° и у = 76°-80°;
• количество породных слоев, участвующих в формировании опорного давления определяется областью сдвижения пород, которая ограничена линиями прогиба обрушения пород;
• величина опорного давления перед первичной посадкой определяется суммой давления групп слоев
на опору и максимальное опорное давление может быть определено из выражения:
1. Лобков Н.И., Порубай В. В. Геодинами-ческое обоснование характера обрушения кровли в очистных забоях. Сб. Физико-технические проблемы горного производства / Вып.№7.Под общей редакцией А.Д.
n
Роп = ^ \ P оп, h МПа, где Роп i - опор-
i=1
ное давление каждой группы слоев, входящих в область сдвижения, определяемых, как давление жестко защемленных балок на опору, МПа.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов прогноза проявления горного давления при первичной посадке кровли, обоснований геомеханических критериев при выборе механизированных крепей и оптимизации технико-тех- нологических параметров очистных работ.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Алексеева. - Донецк: ИФГП НАНУ, 2004. - С. 181-187.
2. Насонов И.Д. Моделирование горных процессов. Изд. 2, перераб. и доп. М.: Недра, 1978. 256 с.ЕШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------
Ильяшов М.А. - доктор технических наук, профессор, первый заместитель генерального директора Группы «Энерго»,
Лобков Н.И. - доцент, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИФГП НАН Украины, Донецк, Украина,
Халимендиков Е.Н. - главный инженер, ОАО «Угольная компания «Шахта «Красноармей-ская-Западная №1» Красноармейск, Украина.
Статья представлена ОАО «Угольная компания «Шахта «Красноармейская-Западная №1».
А
